约瑟夫环问题的数学解

下午和朋友聊天的时候,有朋友提到了约瑟夫环问题。你和另外 n-1 个人围成一个圈,按 1,2,...,n 依次编号。第一个人从 1 开始报数,数到 k 的人会被杀掉,然后下一个人重新从 1 开始报数。如此往复,直到最后只剩下一个人。问题是,你应该如何选择自己的初始位置,才能保证最后不被杀掉呢?

速度越快的算法当然越好,毕竟这是一个生死攸关的问题。下面你将会看到,我们如何通过一些基本的数学推导最终得到这个问题的递推解。

初步思考

考虑这样一种相对简单的情况:总共有 5 个人,数到 3 的人被杀掉。那么,死亡过程如下图所示:

总共5人,数到3被杀

经过一番模拟之后,我们已经对约瑟夫环问题有了一个大概的直观理解。下面,尝试使用数学语言来描述这个问题。

哦对了,假如圆圈里只有你自己,那么你肯定就是最后的幸存者,这是一个极其有用的特殊情况。

建立模型

这些是我们的已知条件

  • 总共有 n 个人;
  • 数到 k 的人将被杀死。

这个是我们的未知数

  • 位置 p,处在位置 p 上的人将会幸存下来。

推导求解

现在考虑一种泛化情形:总共有 n 个人,数到 k 的人被杀掉,其中 n >= k。幸存者的位置为 pn

显而易见,初始位置为 k 的人将会第一个被杀掉。此时,经过重新排序之后,问题变成了 n-1 个人的情形。幸存者的位置为 pn-1 。如果能够找到从 pn-1 到 pn 的递推关系,那么问题就解决了。

杀死第一个人之后,变成 n-1 个人的情况

重新排序之后,每个人的位置发生了下面这些变化:

  • 1 -> n-k+1
  • 2 -> n-k+2
  • ...
  • k-1 -> n-1
  • k 被杀死
  • k+1 -> 1
  • ...
  • pn -> pn-1
  • ...
  • n-1 -> n-k+1
  • n -> n-k

很容易我们能得到这样一个关系式:pn = (pn-1 + k) % n 。再加上刚才讨论的特例,只有一个人的情况时,p1 = 1 。递推式就已经很明显了。

当然上文只讨论了 n>=k 的情形,实际上对于 n<k 的情形,刚才所得到的递推式依然适用,我们就不展开讨论了。

编码实现

既然递推式这么简洁明确,那么编码实现就不用写了吧?

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